臂式斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算

莊乾霞 李會勛

華電重工股份有限公司

1 引言

臂式斗輪堆取料機(jī)作為大型、連續(xù)、高效的散料裝卸機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于大型散貨碼頭、鋼鐵、水泥、火力發(fā)電和礦山等企業(yè)的散料輸送系統(tǒng)中，是散料輸送系統(tǒng)的核心。臂式斗輪堆取料機(jī)主要由斗輪機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)、俯仰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、尾車、電氣設(shè)備及輔助裝置等組成，本文重點(diǎn)介紹其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算方法。

2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支承裝置和回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置兩部分組成。

臂式斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)支承裝置形式有回轉(zhuǎn)大軸承式、圓錐滾輪式、臺車式3種，其中回轉(zhuǎn)大軸承形式與其他形式相比，有整機(jī)設(shè)備重心低、裝配簡單、抗傾翻力矩大等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。

臂式斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動形式有4種：①立式電機(jī)+制動器+立式圓柱齒輪減速器+外齒嚙合；②臥式電機(jī)+限矩聯(lián)軸器+制動器+渦輪減速器+外齒嚙合；③立式或臥式電機(jī)+限矩聯(lián)軸器+制動器+立式行星減速器+外齒嚙合；④低速大扭矩液壓馬達(dá)+制動器+外齒嚙合。其中行星減速器具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置首選的傳動方案，其典型布置形式見圖1。

1.變頻電機(jī) 2.塊式制動器 3.限矩聯(lián)軸器 4.行星減速機(jī) 5.回轉(zhuǎn)平臺 6.上法蘭 7.回轉(zhuǎn)大軸承 8.下法蘭 9.回轉(zhuǎn)小齒輪

3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計算

3.1 低速回轉(zhuǎn)線速度的確定

回轉(zhuǎn)速度是決定斗輪堆取料機(jī)取料能力的重要參數(shù)，回轉(zhuǎn)速度的選用由設(shè)備多個性能參數(shù)綜合考慮。以定點(diǎn)回轉(zhuǎn)取料方式為例，核算斗輪取料機(jī)設(shè)備的取料能力計算公式如下：

Q=60δH·CDcos(Φ1)Vmin/1 000

(1)

式中，Q為設(shè)備額定取料能力，t/h；δ為物料密度，t/m3；H為一次回轉(zhuǎn)取料層高，m；CD為行走進(jìn)尺量，mm；Φ1為低速取料時的回轉(zhuǎn)角度；Vmin為臂架斗輪處低速回轉(zhuǎn)線速度，m/min。

從取料能力的公式反算臂架斗輪處低速回轉(zhuǎn)線速度:

Vmin=1 000Q/(60δH·CDcosΦ1)

(2)

公式中的一次回轉(zhuǎn)取料層高H和行走進(jìn)尺量CD可以在設(shè)計時適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)到回轉(zhuǎn)速度的合理配置；反之通過調(diào)整回轉(zhuǎn)速度也可以相應(yīng)地調(diào)整取料層高和進(jìn)尺量。取料層高一般不大于斗輪直徑的2/3，進(jìn)尺量可依據(jù)斗輪容量合理設(shè)計，回轉(zhuǎn)線速度和設(shè)備臂長相關(guān)聯(lián)，調(diào)整3個參數(shù)數(shù)值，以達(dá)到合理的設(shè)計。

3.2 最大回轉(zhuǎn)線速度的確定

以定點(diǎn)回轉(zhuǎn)取料方式為例，斗輪取料時回轉(zhuǎn)速度隨著回轉(zhuǎn)角度的變化而變化，斗輪進(jìn)給取料時物料截面見圖2。

圖2 斗輪進(jìn)給取料物料截面圖

圖2中陰影部分面積為每次行走進(jìn)給取料時所取物料的截面投影，隨著回轉(zhuǎn)角度Φ的變化，斗輪切料寬度不斷變小，為保證取料能力始終恒定，斗輪回轉(zhuǎn)切料速度需比例增加。依據(jù)理論數(shù)據(jù)，斗輪回轉(zhuǎn)到不同角度的回轉(zhuǎn)線速度為初始回轉(zhuǎn)0°時速度的1/cosΦ倍，當(dāng)回轉(zhuǎn)角度達(dá)到70°時，斗輪回轉(zhuǎn)線速度為初始速度的3倍。通常可將圖2所示的1/4圓弧取料的回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為3個等比例速度階段，即低速回轉(zhuǎn)線速度階段、2倍低速回轉(zhuǎn)線速度階段和3倍低速回轉(zhuǎn)線速度階段，那么3倍低速回轉(zhuǎn)線速度可設(shè)定為最大回轉(zhuǎn)線速度。斗輪處最大回轉(zhuǎn)線速度依據(jù)設(shè)備臂長的變化可在20～45 m/min之間調(diào)整，設(shè)備臂長過小時不宜采用較大的回轉(zhuǎn)速度，以免引起設(shè)備的不穩(wěn)定，依據(jù)最大回轉(zhuǎn)線速度也可以確定設(shè)備低速回轉(zhuǎn)時的線速度為7～15 m/min。

3.3 回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率的計算

回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率由4部分功率計算組成，分別為回轉(zhuǎn)摩擦功率、回轉(zhuǎn)風(fēng)載功率、回轉(zhuǎn)加速功率和回轉(zhuǎn)切削功率[2]。

3.3.1 回轉(zhuǎn)摩擦功率Pm

回轉(zhuǎn)摩擦功率Pm可由下式計算獲得：

Pm=GμR1n/0.974η

(3)

式中,G為回轉(zhuǎn)部分的重量，t；μ為回轉(zhuǎn)摩擦系數(shù)，回轉(zhuǎn)大軸承一般選用0.01；R1為回轉(zhuǎn)支承滾道中心半徑，m；n為臂架回轉(zhuǎn)角速度，r/min；η為驅(qū)動部分傳遞效率。

傳遞效率η由4部分組成：①聯(lián)軸器的傳遞效率η1，對于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)常用的摩擦限矩聯(lián)軸器，η1一般為0.98；②減速機(jī)的傳遞效率η2，減速機(jī)傳遞效率與減速機(jī)的級數(shù)有關(guān)，級數(shù)越大傳遞效率越低，回轉(zhuǎn)減速機(jī)速比較大，通常為四級，以每級效率0.98計算，η2=0.984；③大齒圈小齒輪嚙合的傳遞效率η3，大小齒輪為圓柱齒輪開式嚙合，傳遞效率約為0.96；④回轉(zhuǎn)大軸承的傳遞效率η4，η4為0.98。

故傳遞效率為：

η=η1×η2×η3×η4=0.85

(4)

3.3.2 回轉(zhuǎn)風(fēng)載功率Pf

回轉(zhuǎn)風(fēng)載功率Pf計算公式為：

Pf=Mfp/9 550η

(5)

(6)

式中，Mf為風(fēng)載力矩，Nm；p為計算風(fēng)壓，Pa；νS為計算風(fēng)速，m/s。風(fēng)載力矩的詳細(xì)計算可參照GBT3811標(biāo)準(zhǔn)計算。

3.3.3 回轉(zhuǎn)加速功率Pj

回轉(zhuǎn)加速功率Pj計算公式為：

(7)

式中，GD12為回轉(zhuǎn)部分重量在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；GD22為驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部分在電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；Nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

3.3.4 回轉(zhuǎn)切削功率Pq

回轉(zhuǎn)切削功率Pq計算公式為：

Pq=Mqn/9 550η

(8)

Mq=FqR2/3

(9)

Fq=9 550×PD/nDr

(10)

式中，nD為斗輪轉(zhuǎn)速，r/min；r為斗輪半徑，m；PD為斗輪切削功率，kW；Fq為斗輪切削力，N；R2為臂架回轉(zhuǎn)半徑，m；Mq為斗輪側(cè)向切削力對回轉(zhuǎn)中心的力矩，Nm。

3.4 典型工況回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率核算

斗輪堆取料機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，載荷組合分為一類載荷組合、二類載荷組合、三類載荷組合，每一類載荷組合又分多種工況。一般情況下，只對設(shè)備工作和非工作時的幾種典型工況進(jìn)行計算，這幾種工況具有代表性，可以涵蓋其他工況的風(fēng)險，選取以下工況對回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率進(jìn)行校核。

(1)無風(fēng)回轉(zhuǎn)取料工況下所需功率應(yīng)小于電機(jī)總功率的一半：

P1=Pm+Pq<0.5P

(11)

式中，P1為無風(fēng)取料回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率，kW；P為回轉(zhuǎn)電機(jī)總的驅(qū)動功率，kW。

(2)無風(fēng)回轉(zhuǎn)加速工況下所需功率應(yīng)小于電機(jī)總功率的一半：

P2=Pm+Pj<0.5P

(12)

式中，P2為無風(fēng)回轉(zhuǎn)加速時的回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率，kW。

(3)最大工作風(fēng)速取料工況下回轉(zhuǎn)驅(qū)動允許過載使用，過載系數(shù)為1.5：

P3=Pm+Pf+Pq<1.5P

(13)

式中，P3為最大工作風(fēng)速取料時的回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率，kW。

(4)非工作最大風(fēng)速回轉(zhuǎn)工況下回轉(zhuǎn)驅(qū)動允許過載使用，過載系數(shù)為1.5：

P4=Pm+Pj+Pf<1.5P

(14)

式中，P4為非工作最大風(fēng)速加速時的回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率，kW。

一般工作時最大風(fēng)速選取為20 m/s,非工作風(fēng)速海邊為55 m/s，回轉(zhuǎn)功率中的非工作風(fēng)速一般按30 m/s計算，風(fēng)速大于30 m/s時回轉(zhuǎn)驅(qū)動停止運(yùn)行，回轉(zhuǎn)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)固定于防風(fēng)架上，保證設(shè)備安全。設(shè)備設(shè)計風(fēng)速依據(jù)設(shè)備不同的地理位置，設(shè)備的工作風(fēng)速和非工作風(fēng)速有所不同，具體按當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件選用。

4 計算實例驗證

4.1 計算參數(shù)

以華電(印尼)玻雅項目SR1300.1300.40型斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動計算為例，該產(chǎn)品回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)大軸承式支承配合行星減速器驅(qū)動裝置方案，計算參數(shù)見表1。

表1 斗輪堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)計算參數(shù)

4.2 工作狀態(tài)計算校核

工作時回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率計算如下。

(1)回轉(zhuǎn)摩擦功率Pm=GμR1n1/0.974η=0.89 kW。

(2)回轉(zhuǎn)風(fēng)載功率Pf=Mf1n1/9 550η=7.13 kW。

(4)回轉(zhuǎn)切削功率Pq=Mqn1/9 550η=3.71 kW。其中：Fq=9 550PD/nDr=17 382 N；Mq=FqR2/3=231 760 Nm。

工作時回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率校核如下。

(1)無風(fēng)回轉(zhuǎn)取料工況：P1=Pm+Pq=0.89+3.71=4.6 kW<0.5P=11 kW，滿足驗證要求。

(2)無風(fēng)回轉(zhuǎn)加速工況：P2=Pm+Pj=0.89+1.44=2.33 kW<0.5P=11 kW，滿足驗證要求。

(3)最大工作風(fēng)速取料工況：P3=Pm+Pf+Pq=0.89+7.13+3.71=11.73 kW<1.5P=33 kW，滿足驗證要求。

4.3 非工作狀態(tài)計算校核

非工作時回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率計算如下。

(1)回轉(zhuǎn)摩擦功率Pm=GμR1n2/0.974η=0.68 kW。

(2)回轉(zhuǎn)風(fēng)載功率Pf=Mf2n2/9 550η=12.33 kW。

非工作時回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率校核如下。

在非工作時最大風(fēng)速回轉(zhuǎn)工況下P4=Pm+Pj+Pf=13.86 kW<1.5P=33 kW,滿足驗證要求。

5 結(jié)語

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是斗輪堆取料機(jī)的重要組成部分，總結(jié)了回轉(zhuǎn)驅(qū)動計算的主要參數(shù)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動功率的組成、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)典型工況的校核方法，并驗證了該計算方法的合理性和可行性，可供設(shè)計者參考選用。